CN112110258A - 一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法，包括：反馈控制模块和电机；反馈控制模块包括：PLC控制器、变频控制器和速度传感器，PLC控制器与变频控制器串联连接；PLC控制器与速度传感器电连接，通过速度传感器获取电机实际转速值，并将实际转速值与电机预设转速值进行比较，依比较结果对变频控制器输出电源频率进行负反馈调节，控制实际转速值跟随预设转速值变化，以调节电机输出扭矩；电机与反馈控制模块电连接，在反馈控制模块的控制下带动电缆卷筒拖动电缆。通过检测电机实际转速来判断预先获取相应电缆拉力值是否为合理范围，进而改变电机电源频率来调节其实际转速，间接控制电机输出扭矩，实现电缆卷筒张力控制与调节。

Description

一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力设备控制技术领域，特别涉及一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法。

背景技术

随着社会的发展，人们的环保意识也在不断提高，因此岸电系统产生了。港口岸电系统的兴起取代了曾经会产生巨大污染的技术。搭建岸电系统的过程中有很多人力无法完成的工作需要靠机器来完成。在电缆卷筒控制系统中，如何在电缆张力承受范围内，实现机器控制电缆的收放，成为搭建岸电系统的一个难题。

现有的技术是以变频驱动式电缆卷筒实现电缆收放功能，把钢丝绳从趸船接到电缆滑车，利用拉力传感器进行电缆拉力监控，间接进行拉力的控制，如图1所示。当电缆滑车与趸船的距离发生变化时，拉力传感器先于电缆承受之间的拉力变化。当拉力传感器检测到拉力变化时，通过传感器变送器将拉力值与I/O信号输出至控制系统。拉力传感器需要轻拿轻放，任何振动造成的冲击或者跌落，都很有可能造成很大的输出误差；设计加载装置及安装时应保证加载力的作用线与拉力传感器受力轴线重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减至最小在水平调整方面，如果使用的是单只拉力传感器的话，其底座的安装平面要使用水平仪调整直到水平，如果是多个传感器同时测量的情况，那么它们底座的安装面要尽量保持在一个水平面上。但是在现实应用中由于码头环境的原因，比如说水位造成电缆的高低落差，就会有可能造成传感器受冲击跌落，受力不在同一轴线上，甚至如果使用多个拉力传感器，都无法安装在同一水平面上。没办法满足传感器使用环境的要求，使得精度无法得到保证。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法，通过预先获取拖动电缆时的拉力范围，设定合理的拉力值拖动电缆，并通过检测电机实际转速值来监控电缆拉力值是否位于合理的数值范围；此外，通过改变电机电源的频率值来调节电机的实际转速，间接控制电机输出扭矩，实现电缆卷筒张力的控制与调节，提高了电缆卷筒拖动电缆时的安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种岸电电缆卷筒张力控制系统，包括：反馈控制模块和电机；

所述反馈控制模块包括：PLC控制器、变频控制器和速度传感器，所述PLC控制器与所述变频控制器串联连接；

所述PLC控制器与所述速度传感器电连接，通过所述速度传感器获取所述电机的实际转速值，并将所述实际转速值与所述电机的预设转速值进行比较，依据比较结果对所述变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制所述实际转速值跟随所述预设转速值变化；

所述电机与所述反馈控制模块电连接，在所述反馈控制模块的控制下带动电缆卷筒拖动电缆。

进一步地，所述岸电电缆卷筒张力控制系统还包括：前馈控制模块；

所述前馈控制模块包括：串联连接的前馈变送器和前馈控制器；

所述前馈变送器的输入端与扰动源连接，获取所述扰动源的若干种扰动信号，其中，所述扰动信号叠加于所述变频控制器输出的控制信号；

所述前馈控制器的输出端与所述变频控制器的输入端连接，其输出补偿所述若干种扰动信号的补偿信号，所述补偿信号与所述PLC控制器的控制信号叠加后传输至所述变频控制器。

进一步地，所述反馈控制模块还包括：频率变送器；

所述频率变送器设置于所述PLC控制器和所述变频控制器之间，其将所述PLC控制器发出的控制转换为所述变频控制器可识别的信号。

进一步地，所述变频控制器输出的所述电机输出频率f为：

其中，F_拉是所述电机产生的拉力，T是所述电机产生的额定扭矩，R是所述卷筒半径，P是所述电机的额定功率，n是所述电机的转速，f是所述电机的定子频率即电源频率，p是磁极对数，s是转差率。

进一步地，所述电机拉力F_拉的数值范围为：

f_摩+F_张-mgsinθ<F_拉<f_摩+F_张+mgsinθ；

其中，F_张是所述电缆内部张力，所述电缆内部张力为与所述卷筒拉力方向相反的合力，f_摩是地面产生的摩擦力，G_重是所述电缆的重力，N_支是地面给所述电缆的支撑力，θ为所述电缆拖动平面与水平面的夹角。

进一步地，所述电缆承受的所述地面产生的摩擦力f_摩为：

f_摩＝μmg；

其中，μ为所述电缆拖动面摩擦系数，m为电缆质量，g为重力常数。

进一步地，所述反馈控制模块还包括：速度变送器；

所述速度变送器设置于所述速度传感器与所述PLC控制器之间，其将所述速度传感器输出的所述实际转速值转换为所述PLC控制器可识别的信号。

进一步地，所述岸电电缆卷筒张力控制系统还包括：第一拉力变送器和第二拉力变送器；

所述第一拉力变送器串联于所述反馈控制模块的输入端，其将所述电机的预设扭矩值转换为所述预设转速值；

所述第二拉力变送器串联于所述反馈控制模块的输出端，其将所述电机的所述实际转速值转换为实际扭矩值。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种岸电电缆卷筒张力控制方法，通过上述任一岸电电缆卷筒张力控制系统对岸电电缆卷筒张力进行调节，包括如下步骤：

获取电机的实际转速值；

通过PLC控制器将所述实际转速值与预设转速值进行比较；

依据比较结果，对所述变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制所述电机的所述实际转速值跟随所述预设转速值变化；

所述电缆卷筒依据所述电机的所述实际转速值调节拖动电缆的张力。

进一步地，所述岸电电缆卷筒张力控制方法还包括：

获取干扰源的若干种干扰信号；

控制前馈控制器输出与所述若干种干扰信号相对应的补偿信号；

将所述补偿信号与所述PLC控制器的控制信号叠加后传输至变频控制器。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过预先获取拖动电缆时的拉力范围，设定合理的拉力值拖动电缆，并通过检测电机实际转速值来监控电缆拉力值是否位于合理的数值范围；此外，通过改变电机电源的频率值来调节电机的实际转速，间接控制电机输出扭矩，实现电缆卷筒张力的控制与调节，提高了电缆卷筒拖动电缆时的安全性和可靠性；通过获取外界干扰源的多种干扰信号，并通过前馈控制器对多种干扰信号进行建模和前馈补偿，克服了干扰信号对电机实际转速的影响，提高了控制精度。

附图说明

图1是现有技术中岸电电缆拖动示意图；

图2是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制系统原理图；

图3是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制系统示意图；

图4是本发明实施例提供的电缆水平拖动受力示意图；

图5是本发明实施例提供的电缆上坡拖动受力示意图；

图6是本发明实施例提供的电缆下坡拖动受力示意图；

图7是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图2是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制系统原理图。

图3是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制系统示意图。

请参照图2和图3，本发明实施例的第一方面提供了一种岸电电缆卷筒张力控制系统，包括：反馈控制模块和电机。具体的，反馈控制模块包括：PLC控制器、变频控制器和速度传感器，PLC控制器与变频控制器串联连接。PLC控制器与速度传感器电连接，通过速度传感器获取电机的实际转速值，并将实际转速值与电机的预设转速值进行比较，依据比较结果对变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制实际转速值跟随预设转速值变化。电机与反馈控制模块电连接，在反馈控制模块的控制下带动电缆卷筒拖动电缆。

反馈控制模块通过直接调节电机转动速度、间接调节电机输出扭矩的大小。其中，通过PLC控制器内部的比较指令设定电机转动速度的上限，来控制张力不同情况时的转速预设值，然后根据PLC控制器的控制信号来控制变频控制器的输出电源频率，并通过改变输出电源频率来控制电机的实际转速，在电机输出端设置速度传感器，PLC控制器进行实际转速值和预设转速值的大小比较，然后依据比较结果再控制变频器的输出电源频率，使得电机的实际转速值能跟随预设转速值进行变化。

可选的，岸电电缆卷筒张力控制系统还包括：前馈控制模块。前馈控制模块包括：串联连接的前馈变送器和前馈控制器。前馈变送器的输入端与扰动源连接，获取扰动源的若干种扰动信号，其中，扰动信号叠加于变频控制器输出的控制信号。前馈控制器的输出端与变频控制器的输入端连接，其输出补偿若干种扰动信号的补偿信号，补偿信号与PLC控制器的控制信号叠加后传输至变频控制器。

前馈系统部分是由前馈变送器，对扰动量进行转换，具体扰动量主要是前面提到的环境因素，还有电源波动，温度变化等因素。利用前馈控制器对会影响电机转速大小的扰动量进行补偿。

具体的，反馈控制模块还包括：频率变送器。频率变送器设置于PLC控制器和变频控制器之间，其将PLC控制器发出的控制转换为变频控制器可识别的信号。

具体的，反馈控制模块还包括：速度变送器。速度变送器设置于速度传感器与PLC控制器之间，其将速度传感器输出的实际转速值转换为PLC控制器可识别的信号。

此外，岸电电缆卷筒张力控制系统还包括：第一拉力变送器和第二拉力变送器。第一拉力变送器串联于反馈控制模块的输入端，其将电机的预设扭矩值转换为预设转速值。第二拉力变送器串联于反馈控制模块的输出端，其将电机的实际转速值转换为实际扭矩值。

图4是本发明实施例提供的电缆水平拖动受力示意图。

图5是本发明实施例提供的电缆上坡拖动受力示意图。

图6是本发明实施例提供的电缆下坡拖动受力示意图。

在忽略各种不可控制的因素条件(如雨天，风，地面沙石，不易察觉的障碍物等)，对电缆在收或者放的时候进行受力分析，有以下三种情况：

请参照图4，平地时受到拉力的电缆。其中，F_张是内部张力，这个张力是通过力的合成和分解把来自各个方向的内部张力合成为与拉力方向相反的合力，f_摩是地面产生的摩擦力，G_重是电缆所受重力，N_支是地面给电缆的支撑力，F拉是来自卷筒的拉力。

其中，F_拉＝f_摩+F_张，F_拉＝f_摩+F_张f_摩＝μmg。

请参照图5，当电缆卷筒处于高处，向上拖动电缆时的受力情况如图5所示，由于受到重力的影响，卷筒的拉力不仅要克服摩擦力和内部张力，还要克服重力产生与拉力方向相反的分力。

其中，f_摩＝μmgcosθ，F_拉＝f_摩+F_张+mgsinθ。

请参照图6，当电缆卷筒处于低处，向下拖动电缆时的受力情况如下，由于受到重力的影响，卷筒的拉力在重力沿相同方向的分量一起克服摩擦力和内部张力。

其中，f_摩＝μmgcosθ，F_拉＝f_摩+F_张-mgsinθ。

综上所述，无论是何种电缆，在电缆收放时的拉力范围是在(f_摩+F_张-mgsinθ,f_摩+F_张+mgsinθ)，保证拉力的大小在(f_摩+F_张-mgsinθ,f_摩+F_张+mgsinθ)这个范围内，避免电缆产生不可恢复的永久形变。

进一步地，变频控制器输出的电机输出频率f为：

其中，F_拉是电机产生的拉力，T是电机产生的额定扭矩，R是卷筒半径，P是电机的额定功率，n是电机的转速，f是电机的定子频率即电源频率，p是磁极对数，s是转差率。

此外，60的含义是60秒，这个是来自单位的换算转速n的单位是r/min，按每分钟来算，因此等式左边需要乘60来保证单位统一；上式中，9550是一个推导出的系数，由于功率(P)＝力(F)*速度(V)，转矩(T)＝力(F)*作用半径(R)，根据线速度(V)＝2πR*每分转速(n)/60，把线速度的公式和转矩的公式代入功率的公式，P＝F*V＝(T/R)*(π*R*n/30)＝T*n*π/30，P＝功率单位W，T＝转矩单位N*m，n＝转速单位转数/每分钟，π取3.14，再把P转换成KW为单位，得出P*1000＝T*n*3.14/30，T＝P*1000*30/3.14＝9550P/n。

具体的，电机拉力F_拉的数值范围为：

f_摩+F_张-mgsinθ<F_拉<f_摩+F_张+mgsinθ；

其中，F_张是电缆内部张力，电缆内部张力为与卷筒拉力方向相反的合力，f_摩是地面产生的摩擦力，G_重是电缆的重力，N_支是地面给电缆的支撑力，θ为电缆拖动平面与水平面的夹角。

此外，电缆承受的地面产生的摩擦力f_摩为：

f_摩＝μmg；

其中，μ为所述电缆拖动面摩擦系数，m为电缆质量，g为重力常数。

图7是本发明实施例提供的岸电电缆卷筒张力控制方法流程图。

相应地，请参照图7，本发明实施例的第二方面提供了一种岸电电缆卷筒张力控制方法，通过上述任一岸电电缆卷筒张力控制系统对岸电电缆卷筒张力进行调节，包括如下步骤：

S100，获取电机的实际转速值。

S200，通过PLC控制器将实际转速值与预设转速值进行比较。

S300，依据比较结果，对变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制电机的实际转速值跟随预设转速值变化。

S400，电缆卷筒依据电机的实际转速值调节拖动电缆的张力。

进一步地，岸电电缆卷筒张力控制方法还包括：

S510，获取干扰源的若干种干扰信号。

S520，控制前馈控制器输出与若干种干扰信号相对应的补偿信号。

S530，将补偿信号与PLC控制器的控制信号叠加后传输至变频控制器。

上述控制方法通过预先获取拖动电缆时的拉力范围，设定合理的拉力值拖动电缆，并通过检测电机实际转速值来监控电缆拉力值是否位于合理的数值范围；此外，通过改变电机电源的频率值来调节电机的实际转速，进而调节电机的输出扭矩，实现电缆卷筒张力的控制与调节，提高了电缆卷筒拖动电缆时的安全性和可靠性。

本发明实施例旨在保护一种岸电电缆卷筒张力控制系统及控制方法，控制系统包括：反馈控制模块和电机；反馈控制模块包括：PLC控制器、变频控制器和速度传感器，PLC控制器与变频控制器串联连接；PLC控制器与速度传感器电连接，通过速度传感器获取电机的实际转速值，并将实际转速值与电机的预设转速值进行比较，依据比较结果对变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制实际转速值跟随预设转速值变化；电机与反馈控制模块电连接，在反馈控制模块的控制下带动电缆卷筒拖动电缆。上述技术方案具备如下效果：

通过预先获取拖动电缆时的拉力范围，设定合理的拉力值拖动电缆，并通过检测电机实际转速值来监控电缆拉力值是否位于合理的数值范围；此外，通过改变电机电源的频率值来调节电机的实际转速，间接控制电机输出扭矩，实现电缆卷筒张力的控制与调节，提高了电缆卷筒拖动电缆时的安全性和可靠性；通过获取外界干扰源的多种干扰信号，并通过前馈控制器对多种干扰信号进行建模和前馈补偿，克服了干扰信号对电机实际转速的影响，提高了控制精度。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，包括：反馈控制模块和电机；

所述反馈控制模块包括：PLC控制器、变频控制器和速度传感器，所述PLC控制器与所述变频控制器串联连接；

所述PLC控制器与所述速度传感器电连接，通过所述速度传感器获取所述电机的实际转速值，并将所述实际转速值与所述电机的预设转速值进行比较，依据比较结果对所述变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制所述实际转速值跟随所述预设转速值变化；

所述电机与所述反馈控制模块电连接，在所述反馈控制模块的控制下带动电缆卷筒拖动电缆。

2.根据权利要求1所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，还包括：前馈控制模块；

所述前馈控制模块包括：串联连接的前馈变送器和前馈控制器；

所述前馈变送器的输入端与扰动源连接，获取所述扰动源的若干种扰动信号，其中，所述扰动信号叠加于所述变频控制器输出的控制信号；

所述前馈控制器的输出端与所述变频控制器的输入端连接，其输出补偿所述若干种扰动信号的补偿信号，所述补偿信号与所述PLC控制器的控制信号叠加后传输至所述变频控制器。

3.根据权利要求1所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，

所述反馈控制模块还包括：频率变送器；

所述频率变送器设置于所述PLC控制器和所述变频控制器之间，其将所述PLC控制器发出的控制转换为所述变频控制器可识别的信号。

4.根据权利要求1所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，

所述变频控制器输出的所述电机输出频率f为：

其中，F_拉是所述电机产生的拉力，T是所述电机产生的额定扭矩，R是所述卷筒半径，P是所述电机的额定功率，n是所述电机的转速，f是所述电机的定子频率即电源频率，p是磁极对数，s是转差率。

5.根据权利要求4所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，

所述电机拉力F_拉的数值范围为：

f_摩+F_张-mgsinθ<F_拉<f_摩+F_张+mgsinθ；

其中，F_张是所述电缆内部张力，所述电缆内部张力为与所述卷筒拉力方向相反的合力，f_摩是地面产生的摩擦力，G_重是所述电缆的重力，N_支是地面给所述电缆的支撑力，θ为所述电缆拖动平面与水平面的夹角。

6.根据权利要求5所述的电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，

所述电缆承受的所述地面产生的摩擦力f_摩为：

f_摩＝μmg；

其中，μ为所述电缆拖动面摩擦系数，m为电缆质量，g为重力常数。

7.根据权利要求1所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，

所述反馈控制模块还包括：速度变送器；

所述速度变送器设置于所述速度传感器与所述PLC控制器之间，其将所述速度传感器输出的所述实际转速值转换为所述PLC控制器可识别的信号。

8.根据权利要求1所述的岸电电缆卷筒张力控制系统，其特征在于，还包括：第一拉力变送器和第二拉力变送器；

所述第一拉力变送器串联于所述反馈控制模块的输入端，其将所述电机的预设扭矩值转换为所述预设转速值；

所述第二拉力变送器串联于所述反馈控制模块的输出端，其将所述电机的所述实际转速值转换为实际扭矩值。

9.一种岸电电缆卷筒张力控制方法，其特征在于，通过权利要求1-8中任一所述的岸电电缆卷筒张力控制系统对岸电电缆卷筒张力进行调节，包括如下步骤：

获取电机的实际转速值；

通过PLC控制器将所述实际转速值与预设转速值进行比较；

依据比较结果，对所述变频控制器的输出电源频率进行负反馈调节，进而控制所述电机的所述实际转速值跟随所述预设转速值变化；

所述电缆卷筒依据所述电机的所述实际转速值调节拖动电缆的张力。

10.根据权利要求9所述的岸电电缆卷筒张力控制方法，其特征在于，还包括：

获取干扰源的若干种干扰信号；

控制前馈控制器输出与所述若干种干扰信号相对应的补偿信号；

将所述补偿信号与所述PLC控制器的控制信号叠加后传输至变频控制器。

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